Les supraconducteurs [topic unique]

Source : http://www.norja.net/saviezvousque/html/histoire_des_supraconducteurs.html

Histoire des Supraconducteurs

Heike Kamerlingh Onnes

Citation :

Les supraconducteurs, des matériaux qui n'ont aucune résistance au flux d'électricité, sont une des dernières grandes frontières des découvertes scientifiques. Non seulement les limites de la supraconductivité non pas encore été atteinte, mais les théories qui expliquent le comportement des supraconducteurs semblent constamment être en revision. En 1911 la supraconductivité a été d'abord observée dans le mercure par le physicien hollandais Heike Kamerlingh Onnes d'Université Leiden. Quand il l'a rafraîchi à la température de l'hélium liquide, 4 degrés Kelvin, sa résistance a soudainement disparu. L'échelle de Kelvin représente une échelle "absolue" de température. Ainsi, il était nécessaire pour Onnes de venir dans 4 degrés de la température la plus froide qui est théoriquement accessible pour être témoin du phénomène de la supraconductivité. Plus tard, en 1913, il a gagné un Prix Nobel de physique pour sa recherche dans ce secteur.

Le grand événement marquant la compréhension du comportement de la matière aux températures froides extrêmes est arrivé en 1933. Walter Meissner et Robert Ochsenfeld ont découvert qu'un matériel de supraconducteur repoussera un champ magnétique (voir l'image ci-haut). Un aimant se déplaçant près d'un conducteur envoie des courants dans le conducteur. C'est le principe sur lequel le générateur électrique fonctionne. Mais, dans un supraconducteur, les courants envoyés reproduisent exactement le champ qui aurait autrement pénétré dans le matériel du supraconducteur - repoussant ainsi l'aimant. On connaît ce phénomène comme démagnétisation et est aujourd'hui souvent mentionné comme "l'effet de Meissner". L'effet de Meissner est si fort qu'un aimant peut en réalité être soulevé par lévitation sur un matériel supraconducteur.
Durant la décennie suivante, d'autres métaux de supraconductivité ont été découverts soit des alliages et des composés. En 1941 le Niobium - Nitride a été trouvé pour supraconduire à 16 K. En 1953 Silicium de vanadiums a montré des propriétés superconductrices à 17.5 K.. En 1962 les scientifiques à Westinghouse ont développé le premier fil supraconducteur commercial, un alliage de Niobium et le Titanium. La première utilisation de ce fil de haute énergie fut des électro-aimants pour accélérateur de particule, cependant, il n'est apparu qu'en 1987 où il a été employé au Fermilab Tevatron.

John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer

La première compréhension théorique largement acceptée de supraconductivité a été avancée en 1957 par des physiciens américains John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer (ci-dessus). Leurs Théories de Supraconductivité sont devenues comme la théorie BCS - tiré de la première lettre du nom de famille de chaque homme - et leur ont mérité un prix Nobel en 1972. La théorie mathématique et complexe BCS a expliqué la supraconductivité aux températures près du zéro absolu pour des éléments et des alliages simples. Cependant, aux températures plus hautes et avec des systèmes de supraconducteur différents, la théorie BCS est par la suite devenue inadéquate dans l'explication complète du phénomène de la supraconductivité.

Brian D. Josephson

Un autre avancement théorique significatif est arrivé en 1962 où Brian D. Josephson, un étudiant de troisième cycle à l'Université de Cambridge, a prévu que le courant électrique coulerait entre 2 matériaux supraconducteurs - même quand ils sont séparés par un élément non-supraconducteur ou un isolant. Sa prédiction fut confirmée plus tard et lui permit de gagner une part du Prix Nobel de Physique de 1973. On connaît aujourd'hui ce phénomène de tonnelage comme celui de "l'effet Josephson" et ont été appliqué aux dispositifs électroniques comme le CALMAR, un instrument capable de détecter les champs magnétiques les plus faibles.

Les années 1980 furent une décennie de découverte sans précédent dans le domaine des supraconducteurs. En 1964 Bill Little de l'Université Stanford avait suggéré la possibilité de supraconducteurs organiques (à base de carbone). Le premier de ces supraconducteurs théoriques a été synthétisé avec succès en 1980 par le Chercheur danois Klaus Bechgaard de l'Université de Copenhague et 3 membres d'équipe française. (TMTSF)2PF6 a dû être rafraîchi à un incroyablement froid de 1.2K latempérature de transition (connu comme Tc) et soumis à de haute pression pour superconduire. Mais, sa simple existence a prouvé la possibilité de la création de molécules - des molécules modelées pour s'exécuter d'une façon prévisible.

Alex Müller et Georg Bednorz

Alors, en 1986, une véritable découverte a été faite dans le domaine de la supraconductivité. Alex Müller et Georg Bednorz (ci-dessus), des chercheurs au Laboratoire de recherches IBM à Rüschlikon en Suisse, ont créé un composé de céramique fragile qui a superconduit à la température la plus haute alors connue soit 30 K. Ce qui a rendu remarquable cette découverte était que la céramique est normalement un isolant. Ils ne conduisent pas du tout l'électricité. Ainsi, les chercheurs ne les avaient pas considérés comme de possibles éléments supraconducteurs de haute température. Le Lanthanum, le Baryum, le Cuivre et le composé d'Oxygène que Müller et Bednorz ont synthétisés, leurs comportements ne sont pas encore compris. (Article original imprimé dans Zeitschrift für Physik Question condensée, avril 1986.) la découverte de ce premier supraconducteur de céramique a fait gagné aux 2 hommes un Prix Nobel l'année suivante. Il fut prouvé par la suite que des quantités minuscules de ce matériel superconduisaient en réalité à 58 K, grâce à une petite quantité de plomb ajouté comme une norme de calibrage - rendant la découverte encore plus remarquable.
La découverte de Müller et Bednorz a déclenché une rafale d'activité dans le domaine de supraconductivité. Les chercheurs ont dans le monde entier commencé "à faire cuire" la céramique en imaginant diverse combinaison à la recherche de Tc de plus haut en plus haut. En janvier de 1987 une équipe de recherche de l'Université de l'Alabama - Huntsville a substitué Yttrium au Lanthanum dans la molécule de Müller et Bednorz et a réalisé un incroyable 92 K Tc. Pour la première fois un matériel (aujourd'hui mentionné comme YBCO) avait été trouvé qui permettait la supraconductivité à des températures plus chaud que l'azote liquide - qui est un liquide de refroidissement facilement disponible. Des événements marquants complémentaires ont depuis été réalisés en utilisant des éléments exotiques - et souvent le toxique - dans la base de céramique perovskite. La classe actuelle (ou "le système") de supraconducteurs de céramiques avec les températures de transition la plus haute est le mercuric-cuprates. La première synthèse d'un de ces composés a été réalisée par le professeur Dr.Ulker Onbasli de l'Université du Colorado en 1993. Le record du monde Tc de 138 K est maintenant détenu par un enduit de thallium, incluant du mercuric-cuprate quie est un des éléments du Mercure, le Thallium, le Baryum, le Calcium, le Cuivre et l'Oxygène. Le Tc de ce supraconducteur céramique a été confirmé par Dr. Ron Goldfarb de l'Institut National de Standards et de technologie du Colorado en février de 1994. Sous une pression extrême son Tc peut être poussé même plus haut - approximativement de 25 à 30 degrés de plus à 300,000 atmosphères.

Tandis qu'aucuns avancements significatifs dans la supraconductivité Tc ont été réalisés ces dernières années, d'autres découvertes d'importance égale ont été faites. En 1997 les chercheurs ont découvert qu'à une température très près du zéro absolu un alliage d'or et indium était supraconducteur et un aimant naturel. L'opinion générale admise qu'un matériel avec de telles propriétés ne pouvait pas exister! Plus récemment, il y eut la découverte du premier supraconducteur à une température élevée qui ne contient pas de cuivre - et la découverte du premier supraconducteur en plastique!

Les découvertes comme ceux-ci forcent les scientifiques à continuellement ré-examiner de nouveau les théories sur la supraconductivité et à imaginer de nouvelle combinaison d'éléments.